Frequency reconfigurable impedance matching networks based on LTCC, fluidic and MEMS technologies for agile RF amplifiers

Résumé

De nouveaux réseaux d'adaptation (RA) d'impédance reconfigurables en fréquence, ou syntoniseurs, qui peuvent être utilisés pour réaliser divers dispositifs RF programmables, tels que des amplificateurs, sont proposés. En promouvant la reconfigurabilité des dispositifs RF, les RA proposés permettent de réduire considérablement le nombre de composants dans une chaîne RF multi-standard et de maximiser la réutilisation du matériel. Les technologies fluidiques et MEMS (MicroElectroMechanical Systems) sont envisagées pour concevoir des RA couvrant différentes bandes de fréquences. Dans les deux cas, la technologie LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) est utilisée comme substrat 3D à faible perte dans la réalisation de ces RA pour offrir, simultanément, une miniaturisation supplémentaire, un niveau d'intégration élevé et des solutions d'emballage à faible coût. D'abord, l'architecture et le principe de fonctionnement des RA d'impédance RF proposés, qui sont communs aux solutions fluidiques et MEMS, sont présentés et discutés. L'architecture sélectionnée est basée sur une cascade de huit cellules à 2 états, où les paramètres électriques de chaque cellule alternent entre deux ensembles de valeurs en passant d'un état à l'autre. Dans l'approche fluidique, les cellules sont constituées de cavités formées sur un guide d'onde coplanaire et les deux états correspondent aux scénarios où la cavité est vide ou est remplie d'eau déionisée (DI). Dans l'approche MEMS, les cellules sont des commutateurs capacitifs, et les positions des commutateurs haut et bas fournissant les deux états souhaités. La conception des cellules individuelles et de l'ensemble du syntoniseur est ensuite faite. Des équations analytiques sont développées et utilisées pour fixer les dimensions initiales des cellules individuelles, c'est-à-dire la cellule fluidique et le commutateur MEMS. Des simulations de champ 3D sont utilisées pour compléter la conception des cellules et de l'ensemble des syntoniseurs. Des approches alternatives de miniaturisation pour le syntoniseur MEMS sont également étudiées. Les résultats de la simulation montrent qu'il est possible d'obtenir une bonne couverture de l’abaque de Smith avec le syntoniseur fluidique pour les fréquences comprises entre 0,8 GHz et 2,4 GHz avec un tuner mesurant 26 mm X 10 mm X 1,5 mm, tandis que le syntoniseur MEMS offre une couverture comparable pour les fréquences entre 2 GHz et 7 GHz avec un tuner miniaturisé jusqu'à 5,51 mm X 2,54 mm X 1,19 mm. Ensuite, la fabrication et les tests des cellules et des syntoniseurs conçus sont entrepris. Pour les cellules et le syntoniseur fluidiques, le processus LTCC standard est adéquat pour le prototypage et a été utilisé pour fabriquer et tester plusieurs cellules et syntoniseurs. Un bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour les cellules individuelles et l'ensemble du syntoniseur, confirmant la couverture prédite. Pour la solution MEMS, un nouveau procédé MEMS-on-LTCC, nécessaire à la fabrication du syntoniseur MEMS est d'abord développé pour prendre en compte les spécificités du substrat LTCC. Des détails sur toutes les étapes de processus nécessaires pour construire un commutateur capacitif sur LTCC sont élaborés. Les défis rencontrés sont mis en évidence et des moyens de les contourner sont proposés. Comme application, des amplificateurs RF reconfigurables utilisant les RA fluidiques et MEMS développés sont conçus. Ils montrent un gain variant autour le gain maximum disponible à différents points dans les bandes de fréquences d'intérêt, c'est-à-dire [0,9 GHz-2,4 GHz] et [2 GHz-7 GHz] pour les architectures fluidique et MEMS respectivement. Enfin, des perspectives pour améliorer les performances des syntoniseurs d'impédances sont discutées. D’une part, l'introduction de lignes de transmission remplies d'air permet de réduire les pertes diélectriques dans le syntoniseur MEMS-sur-LTCC. Aussi, utiliser du métal liquide à la place de l'eau DI dans le syntoniseur fluidique permet d'éliminer les problèmes des pertes diélectriques et d’offrir une reconfigurabilité à des fréquences plus élevées. D’autre part, des modules de commande et d’activation automatiques de ces réseaux d’adaptation d’impédances reconfigurables sont également proposés.

Date	14 févr. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ammar B. Kouki (Directeur(-trice))